Procédure pour le transfert de films polymères sur des substrats poreux avec des défauts minimisés

Résumé

Nous présentons une procédure pour le transfert fortement commandé et sans ride des films minces de copolymère de bloc sur les substrats poreux de support utilisant une chambre de vidange 3D-imprimée. La conception de la chambre de vidange est d'intérêt général pour toutes les procédures impliquant le transfert de films macromoléculaires sur des substrats poreux, ce qui est normalement fait à la main d'une manière irréproductible.

Résumé

La fabrication d'appareils contenant de fines membranes composites de film nécessite le transfert de ces films sur les surfaces de substrats de soutien arbitraires. Accomplir ce transfert d'une manière hautement contrôlée, mécanisée et reproductible peut éliminer la création de structures de défauts macro-échelle (p. ex. déchirures, fissures et rides) dans le film mince qui compromet les performances de l'appareil et la zone utilisable. par échantillon. Ici, nous décrivons un protocole général pour le transfert fortement commandé et mécanisé d'un film mince polymère sur un substrat poreux arbitraire de support pour l'utilisation éventuelle comme dispositif de membrane de filtration d'eau. Plus précisément, nous fabriquons un copolymère de bloc (BCP) film mince sur le dessus d'un sacrifice, soluble dans l'eau poly (acide acrylique) (PAA) couche et substrat de plaquette de silicium. Nous utilisons ensuite un outil de transfert imprimé sur mesure et imprimé en 3D et un système de chambre de vidange pour déposer, décoller et transférer le film mince BCP sur le centre d'un disque de support poreuse d'oxyde d'aluminium anodisé (AAO). Le film mince DE BCP transféré est montré pour être uniformément placé sur le centre de la surface de support en raison de la conduite du ménisque formé entre l'eau et la chambre de vidange en plastique 3D-imprimée. Nous comparons également nos films minces traités par transfert mécanisé à ceux qui ont été transférés à la main avec l'utilisation de pinces à épiler. L'inspection optique et l'analyse d'image des films minces transférés du processus mécanisé confirment que peu ou pas d'inhomogénéités macro-échelles ou de déformations plastiques sont produites, par rapport à la multitude de larmes et de rides produites à partir de manuels transfert à la main. Nos résultats suggèrent que la stratégie proposée pour le transfert de film mince peut réduire les défauts par rapport à d'autres méthodes dans de nombreux systèmes et applications.

Introduction

Les dispositifs à film mince et à base de nanomembrane ont récemment suscité un grand intérêt en raison de leur utilisation potentielle dans un large éventail d'applications, allant du photovoltaïque flexible et de la photonique, des écrans pliables et de l'électronique portable^{1, 2 (en) , 3}. Une exigence pour la fabrication de ces différents types d'appareils est le transfert de couches minces à la surface de substrats arbitraires, ce qui reste difficile en raison de la fragilité de ces films et de la production fréquente de défauts macro-échelles structures, telles que les rides, les fissures et les larmes, dans les films après le transfert^4,5,6,7. Le transfert manuel à la main, les pinces et les boucles de fil sont des méthodes courantes de transfert de film mince, mais entraînent inévitablement des incongruités structurelles et une déformation plastique^8,9. Divers types de méthodes de transfert de pellicules minces ont été explorées telles que : 1) le transfert de timbres polydiméthylsiloxane (PDMS), qui implique l'utilisation d'un timbre élastomérique pour obtenir la pellicule mince du substrat du donneur et ensuite transférer à la réception substrat¹⁰, et 2) transfert de couche sacrificielle¹¹, dans lequel un etchant est utilisé pour dissoudre sélectivement une couche sacrificielle entre le substrat de soutien et le film mince, soulevant ainsi le film mince. Cependant, ces techniques à elles seules ne permettent pas nécessairement le transfert de film mince sans encourir des dommages ou la formation de défaut dans les films minces¹².

Ici, nous présentons une méthode nouvelle, peu coûteuse et facile et généralisable basée sur le décollage de la couche sacrificielle et le transfert guidé par le ménisque dans un système de chambre de vidange imprimé en 3D sur mesure, pour placer mécaniquement des films minces de copolymère de bloc (BCP) sur le les centres des substrats poreux tels que les disques anodisés d'oxyde d'aluminium (AAO) avec peu ou pas les structures de défaut macroscale encourues, telles que des rides, des déchirures, et des fissures. Dans le contexte actuel, ces couches minces transférées peuvent alors être utilisées comme dispositifs dans les études de filtration de l'eau, potentiellement après le traitement de synthèse par infiltration séquentielle (SIS)⁹. L'analyse d'images de films transférés obtenus à partir d'une microscopie optique montre que le système de chambre de vidange guidé par le ménisque fournit des échantillons lisses, robustes et sans rides. En outre, les images démontrent également la capacité du système à placer de manière fiable les membranes minces du film sur les centres des substrats récepteurs. Nos résultats ont des implications significatives pour tout type d'application de dispositif exigeant le transfert des structures minces de film sur les surfaces des substrats poreux arbitraires.

Protocole

1. Fabrication de l'outil de transfert et du système de chambre de vidange

1. Ci-joint (Dossiers supplémentaires 1, 2) est le dessin d'ingénierie pour l'assemblage de la chambre de vidange composé de deux parties: haut et bas. Modélisez ce dispositif selon les spécifications du système désiré (p. ex., le diamètre extérieur du substrat récepteur) et exportez comme fichier STL pour l'impression 3D.
2. Pour la partie supérieure, utilisez une imprimante filament de choix et imprimez dans la résolution la plus basse possible, y compris l'échafaudage si nécessaire. Adhérez aux paramètres recommandés de l'imprimante. Il est également recommandé d'imprimer la partie supérieure à l'aide d'un poly (acide lactique) (ApL) afin de minimiser l'excrétion des matériaux.
3. Pour la partie inférieure, utilisez une imprimante en résine jet d'encre ou une imprimante filament avec une hauteur de construction aussi fine que 20 m.
   REMARQUE : L'ALP est un matériau approprié qui minimise l'excrétion des matériaux.
4. Frotter et nettoyer les deux parties avec de l'eau déionisée, en assurant l'élimination de tout matériau d'excrétion potentiel du processus d'impression. La sonication dans l'eau déionisée est également recommandée. Testez le filetage sur les deux parties pour assurer un bon ajustement.
5. Complétez la chambre de vidange avec un anneau O néoprène de taille 117 et un tube des paramètres spécifiés dans les documents justificatifs (Fichierscomplémentaires 1, 2). Un schéma de l'ensemble de l'assemblage de la chambre de vidange est indiqué à la figure 1.
6. Imprimez l'outil de transfert à l'aide de n'importe quelle imprimante filament à résolution moyenne à fine. Il y a deux parties : la pince et le bras de chargement.
   REMARQUE : Il est fortement recommandé que l'outil de transfert soit imprimé à l'aide de poly (acide lactique) (APL), car d'autres plastiques peuvent être mal mouillés et faire mouiller la plaquette de façon inattendue.
7. Complétez la pince avec une vis de taille 10, puis attachez la pince sur une prise de laboratoire.

2. Dépôt mécanisé initial et décollage de la membrane du substrat du donneur

1. Placez un disque AAO nu de 25 mm de diamètre (ou tout substrat récepteur poreux arbitraire de choix) sur la partie inférieure de la chambre de vidange. Ensuite, placez l'anneau O en néoprène sur le disque AAO et vissez sur la partie supérieure de la chambre de vidange.
2. Rincer et/ou sonicate la configuration à plusieurs reprises avec de l'eau déionisée (DI). Cela permet d'éliminer toute poussière et / ou les particules restantes de l'impression 3D.
3. Placez le morceau de plaquette Si avec la pile de polymère transférable (plaquette de donneur) sur la lèvre du bras de chargement de l'outil de transfert.
4. Remplir la chambre de vidange de 25 ml d'eau DI.
5. Abaissez la prise de laboratoire de sorte que l'outil soit plongé lentement dans la rampe d'entrée de la chambre de vidange et que le substrat de silicium du donneur soit lentement submergé. Assurez-vous que la plaquette est suffisamment immergée pour que la membrane se délamine complètement et décolle du substrat du donneur sous-jacent.
   REMARQUE : L'utilisation d'un morceau de plaquette Si sans contamination par la poussière assurera une séparation facile du substrat du donneur.
6. Soulevez lentement l'outil de transfert hors de l'eau et déplacez-le hors de la voie, en veillant à ne pas déranger la membrane flottante.
7. Coax la membrane dans l'ouverture de la chambre avec des pinces. Placer la pince à épiler dans l'eau devant la membrane la guidera en raison de la tension de surface. Toucher la membrane flottante elle-même n'est pas nécessaire et doit être évité.

3. Transfert guidé par ménisque sur le substrat récepteur avec le système de chambre de vidange

1. Connectez les tubes à la sortie de la partie inférieure de la chambre de vidange. Fixez ce tube à une seringue de verrouillage Luer de 20 ml.
2. Obtenir une pompe à seringues avec des fonctionnalités de retrait. Placez la seringue sur la pompe et retirez l'eau à une vitesse de 1 à 2,5 ml/min jusqu'à ce que toute l'eau soit égouttée.
3. Après 10 min, l'eau doit être complètement retirée de la chambre de vidange. S'il y a encore de l'eau résiduelle dans la chambre, rebranchez la seringue et le tube et continuez à retirer toute eau résiduelle.
4. Après un drainage complet de l'eau, la membrane sera maintenant placée au centre du substrat récepteur. Débranchez la chambre de vidange de la pompe à seringues et démontez la chambre de vidange pour enlever le substrat récepteur contenant la membrane.
   REMARQUE : Le processus total, y compris la mise en place, prend 15 min. La réduction du volume de travail de l'eau et l'augmentation du taux de drainage peuvent raccourcir ce processus.
5. Laisser sécher complètement l'échantillon à température ambiante avant d'être utilisé dans toute application.

Résultats

Les échantillons de membrane DE BCP ont été fabriqués selon la procédure^{précédemment}décrite 9. Les échantillons ont été placés sur la lèvre du bras de chargement de l'outil de transfert imprimé en 3D (figure1, à gauche) et ensuite abaissés, avec une prise de laboratoire, sur la rampe d'entrée de l'outil de chambre de vidange imprimé en 3D (figure 1, à droite). Une couche sacrificielle de...

Discussion

Alors que bon nombre des étapes énumérées dans ce protocole sont cruciales pour le succès du transfert de film mince, la nature de la chambre de vidange imprimée 3D conçue sur mesure permet une grande flexibilité, selon les exigences spécifiques de l'utilisateur. Par exemple, si le substrat du récepteur a un diamètre plus grand que les disques AAO de 25 mm de diamètre utilisés dans cette étude, la chambre de vidange peut être modifiée de façon appropriée pour s'adapter aux nouvelles spécifications. Cep...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
35% sodium polyacrylic acid solution	Sigma Aldrich	9003-01-4
Amicon Stirred Cell model 8010 10mL	Millipore	5121
Anodized aluminum oxide, 0.2u thickness, 25mm diameter	Sigma Aldrich	WHA68096022
o ring neoprene 117	Grainger	1BUV7
Objet500 Connex3 3D Printer	Stratasys
Onshape 3D software	onshape
Polylactic acid filament	Ultimaker
ultimaker3 3d filament printer	Ultimaker
Vero Family printable materials	Stratasys